نشریه مهندسی عمران امیرکبیر

نشریه مهندسی عمران امیرکبیر

بررسی تأثیر ابعاد نمونه بر مقاومت فشاری تک‌محوره و ضریب ارتجاعی گرانیت با استفاده از مدل‌سازی عددی دانه‌مبنا

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی کارشناسی ارشد مکانیک سنگ، دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی همدان، همدان، ایران
2 استادیار، گروه مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی همدان، همدان، ایران
چکیده
اثر مقیاس یکی از مهم‌ترین عوامل کنترل‌کننده رفتار مکانیکی سنگ‌ها محسوب می‌شود. در این پژوهش، اثر نسبت ارتفاع به قطر و آرایش دانه‌ای بر مقاومت فشاری تک‌محوره و ضریب ارتجاعی گرانیت با استفاده از مدل‌سازی عددی مبتنی بر دانه بررسی شد. به همین ‌منظور، نمونه‌های گرانیت با سه ساختار دانه‌ای شامل آرایش‌های نامنظم، نیمه‌منظم و تقریباً منظم تولید و برای نسبت‌های ارتفاع به قطر برابر 8/0، 4/1 و 2 تحت بارگذاری فشاری تک‌محوره شبیه‌سازی شدند. نتایج نشان داد که با افزایش نسبت ارتفاع به قطر از 8/0 به 2، مقادیر میانگین مقاومت در تمامی ساختارها بین 17% تا 26% کاهش یافت؛ به‌طوری‌که کمترین مقدار مقاومت در نمونه‌های بلندتر و دارای ساختار نامنظم مشاهده شد. در مقابل، ضریب ارتجاعی حساسیت کمتری نسبت به تغییر ابعاد نمونه نشان داد و کاهش آن بین 4% تا 8% برآورد شد. تحلیل اثر آرایش دانه‌ای نشان داد که ساختارهای نامنظم با پراکندگی زیاد مقادیر مقاومت، بیشترین حساسیت نسبت به اثر مقیاس را دارند، در حالی‌که شبکه‌های منظم‌تر به دلیل توزیع یکنواخت‌تر تنش، رفتار مکانیکی پایدارتری ایجاد می‌کنند. با هدف تحلیل کمی اثر مقیاس، روابط توانی میان پارامترهای مکانیکی و نسبت ارتفاع به قطر استخراج شد. تحلیل‌ها نشان دادند که ضریب حساسیت اثر مقیاس برای مقاومت به ‌مراتب بزرگ‌تر از ضریب ارتجاعی است؛ به‌گونه‌ای که نسبت شدت اثر مقیاس مقاومت به ضریب ارتجاعی در ساختارهای نیمه‌منظم حدود 9/4 برآورد شد. نتایج این پژوهش نشان داد که اثر مقیاس در گرانیت عمدتاً ماهیتی مقاومتی داشته و به‌ شدت متأثر از ناهمگنی ریزساختاری و نحوه آرایش دانه‌ها می‌باشد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Investigating the Influence of Specimen Size on the Uniaxial Compressive Strength and Elastic Modulus of Granite through Grain-Based Numerical Modeling

نویسندگان English

Marziyeh Moradi 1
Sasan Ghorbani 2
1 MSc of Rock Mechanics, Department of Mining Engineering, Hamedan University of Technology, Hamedan, Iran
2 Departement of Mining Engineering, Hamedan University of Technology, Hamedan, Iran.
چکیده English

The scale effect is considered one of the most significant factors governing the mechanical behavior of rocks. This study investigated the influence of the height-to-diameter ratio (H/D) and grain arrangement on the uniaxial compressive strength (UCS) and modulus of elasticity (E) of granite using finite element modeling. For this purpose, samples with three grain arrangements including irregular, medium regular, and almost regular were generated and simulated under uniaxial compression for H/D ratios of 0.8, 1.4, and 2. The results indicated that increasing the H/D ratio from 0.8 to 2 led to a reduction in average UCS values ranging from 17% to 26% across all grain structures. In contrast, the modulus of elasticity exhibited lower sensitivity to changes in sample dimensions, with a reduction ranging between 4% and 8%. The analysis of grain arrangement effects showed that disordered structures, with greater scatter in UCS values, exhibit the highest sensitivity to the scale effect, whereas more regular networks, due to a more uniform stress distribution, produce more mechanically stable behavior. To quantitatively analyze the scale effect, power relationships were derived between the mechanical parameters and the H/D ratio. The analyses indicated that the scale effect sensitivity coefficient for UCS is significantly higher than that for the modulus of elasticity; specifically, the ratio of the scale effect intensity of UCS to E ( ) in medium regular structures was estimated to be 4.9. This study showed that scale effect of granite is mainly resistive and strongly controlled by microstructural heterogeneity and grain arrangement.

کلیدواژه‌ها English

Microstructural heterogeneity
Height to diameter ratio
Uniaxial compressive strength
Scale-effect intensity
Modulus of elasticity